中科大环境工程微生物学课件03细菌的生长和遗传变异-2细菌的遗传与变异

第二节细菌的遗传与变异遗传性—“种瓜得瓜种豆得豆”正面：继承亲代优点，保持物种延续1.遗传的保守性——子代与亲代相似性（“大同”）负面：？“劣汰”“优胜”2.变异的多样性细菌变异形式，如：个体形态的变化，菌落形态(光滑型／粗糙型)的变异，营养要求的变异，对温度、pH要求的变异，毒性的变异，抗毒能力的变异，生理生化特性的变异及代谢途径、产物的变异等。“龙生九子，各不相同”饕餮taotie椒图潮风赑屃bixi3.遗传与变异的分子机制根源？DNA复制传递的稳定性遗传的保守性复制传递的差错性变异的多样性DNA4.细菌的选育*（重点）与细菌的变异选育—筛选与定向培育筛选—“众里挑一”定向培育—“教育培训”定向培育在水的生物处理俗称驯化。(1)细菌的筛选方法原理：优胜劣汰方式：选择性培养基（天然+人工）天然——特殊区域采样例如筛选能降解石油的细菌？收集长期被石油污染的土壤(天然选择性固体培养基），必有适应石油环境利用石油作为食物的细菌，将土壤样品在实验室用石油降解菌选择性培养基，对样品中的石油降解菌进行进一步的选择培养，筛选分离，富集，为下一步的驯化工作奠定基础。

驯化选择性培养基（石油）浓度升高筛选分离23、414小考1中考高考（2）细菌的驯化①渐变－诱导法(休眠的酶基因复活+自然突变)方法：待降解物通常为有机毒物或惰性物。567N选择性培养基（待降解物，如石油）浓度升高5n大一→大四N+1死筛选与诱导驯化可以同时进行特点:操作简便，驯化的潜力有限，慢。结果诱变剂：温度、紫外线、核辐射、酸、碱、化学诱变剂等等。②突变—诱变法提问：哪些因素可以引起基因突变呢？提问：

基因突变的分子机制？DNA碱基丢失、增多、错配等点突变→染色体畸变基因突变有这样几个特点。

A．基因突变的特点发生Ⅰ.随机性结果Ⅱ.无定向性

基因突变在哪一个细菌中发生是随机的，突变基因的部位也是随机的。突变的发生没有固定的方向。频率Ⅲ.稀有性可Ⅳ.诱变性突变率（每一细菌在每一世代中发生某一性状突变的机率）通常为10-5~10-10。十万至一百亿个细菌中才可能有一个细菌的基因发生突变。人工诱变可提高10～105倍Ⅵ.可逆性修复成功

Ⅴ.稳定性修复失败产生的变异性状是稳定的、可遗传的。利用基因突变的特点，可以通过人工诱变进行细菌的基因改造。常用的诱变剂：紫外线、5—溴尿嘧啶、亚硝酸、卟啶染料等。诱变的步骤Ⅰ.制出发菌株的单细菌悬浮液提问：为什么？如何在整个过程中尽量使细菌分散呢？诱变剂与细菌充分接触；向细菌培养液中加入玻璃珠，并保持在诱变过程中始终进行振荡搅拌形成出发细菌的单细菌悬浮液；B．方法Ⅱ.选择合适的诱变剂剂量进行诱变提问：为什么要有剂量限制呢？少,效率低;过高“是药三分毒”

会造成细菌大量死亡。例如在进行细菌紫外诱变时，通常使用15或20W的紫外灯距离细菌单细菌悬浮液15~30cm，照射15~20min。Ⅲ.筛选突变出的高效菌提问：如何筛？选择性培养基评价诱变法潜力要远大于诱导法，但操作复杂。在实际诱变中，往往要经过几次不同诱变方法的诱变处理以及大量繁琐的筛选分离工作才有可能获得理想的突变体。最后这些突变体将会在实验室小试、中试的基础上被投放到生产实践中。参见《环境微生物学技术手册》（图书馆X172-6201）通常生产上更多利用的是诱导法。污泥培养初期逐步提高污水比例，有些菌种不能适应被淘汰(筛选)，能产生诱导酶的菌株及自发突变体中能来降解此类废水的菌种能够生存而被保留下来，且能力逐步提高，使废水达到预期的排放标准；*诱变菌株环保市场的开发前景如何?目前国内外有哪些主要的此类公司?

③基因重组法不同个体基因重新组合

A．形式自发基因重组与人工基因重组自发基因重组a.真核生物为杂交；精卵细胞质融合过程中所有遗传物质的重组b.原核生物为转化、转导、接合；部分遗传物质的转移和重组提问：要获取国外的某些先进技术（部分基因）有哪些途径？工业间谍（——地下工作者）的拿来主义引进合作开发细菌亦然Ⅰ.转化Transformation

（引进）供体细菌研碎物中的DNA片段直接吸收进入活的受体细菌并发生基因重新组合的方式。受体细菌获得了供体细菌的部分遗传性状—“转运同化”转化现象是1928年英国的细菌学家格里菲斯首先发现的,，被命名为格里菲斯实验（证明DNA是生命遗传物质的经典实验之一）。引进老鼠体内提取物培养现象活的SⅢ肺炎双球菌活的RⅡ

肺炎双球菌

无毒

杀死

杀死

转化现象加热杀死后的破碎细胞混合注射加热杀死后的破碎细胞格里菲斯实验无毒注射注射？？1944年才通过试验找出了其中的原因。试验方法如下：+目前发现自然状态下许多其它细菌、放线菌、真菌和高等动植物中都也有转化现象。Ⅱ.接合

（合作）

Ⅲ.转导（间谍窃取）

间谍？噬菌体－细菌病毒通过噬菌体的携带而转移导手的基因重组现象称为转导。转导是1951年辛德尔(Zinder)和莱德贝尔格(1Jederberg)在研究鼠沙门氏伤寒杆菌重组时发现的。细菌有性生殖LA-2A-

B+LA-22A+

B-LA-2是能合成色氨酸（B+）但不能合成组氨酸（A-）的沙门氏伤寒杆菌

指导色氨酸合成的基因超微烧结玻璃板细菌不能通过，噬菌体可以通过转导能合成色氨酸间谍侵入、重组“转移、导手”LA-22是

合成色氨酸（B-）但能合成组氨酸（A+）的沙门氏伤寒杆菌一些细胞中含有繁殖速度较慢的温和噬菌体P-22不能B.人工基因重组—遗传工程遗传工程是70年代初发展起来的生物技术。定义：对遗传物质进行改造（人工干预下的杂交、转化、接合、转导）的技术。工程：类似工程设计那样有很高的预见性、精确性与严密性。

a.遗传工程的方法遗传工程方法包括两个水平的研究：一种是细胞水平；另一种是基因水平。所以，又可把它分为细胞工程和基因工程。细胞工程——两个细胞原生质体融合体外切割导入遗传物质基因片段受体细胞基因工程——两个细胞DNA片段剪接拼接狭义的讲，遗传工程就是基因工程。原理：限制性核酸内切酶在特殊培养基上（如含有青霉素）筛选目的细菌质粒载体（具有抗性基因）如抵抗青霉素长出必然是重组成功的细菌外源基因片段详见《生物化学》有关章节

b.遗传工程在环境工程中的应用对特殊基因进行“剪切－粘贴－链接”制造“超级细菌”++Ⅰ.降解石油的工程细菌

70年代美国生物学家查克捡巴蒂(Chakrabarty)针对海洋输油，造成浮油污染，影响海洋生态等问题进行了研究。石油成分复杂，是由饱和、不饱和、直链、支链、芳香……烃类组成，不溶于水。而海水含盐量高，虽发现90多种微生物有不同程度降解烃类的能力，但不一定能在海水中大量繁殖生存，而且降解速率也较馒，查氏将能降解脂(含质粒A)的一种假单胞菌作受体细菌，分别将能降解芳烃(质粒B)、芳烃(质粒C)和多环芳烃(质粒D)的质粒，用遗传工程方法人工转入受体细菌，获得多质粒“超级细菌”，可除去原油中2／3的烃。浮油在一般条件下降解需一年以上时间，用“超级细菌”只需几小时即可把浮油去除，速度快效率高。见下图。Ⅱ.耐汞工程菌

日本水俣事件及瑞典鸟类汞中毒事件后，日本和瑞典对汞在自然界转化做了大量研究工作，提出了汞化合物转化的途径，主要是某些微生物使水体汞元素甲基化形成甲基汞，使人及生物中毒。另一面自然界中存在一些耐汞的微生物，它们的耐汞基因在质粒R因子上。例如，恶臭假单胞菌一般在超过2ug／ml汞浓度中即将中毒死，查克拉巴蒂用质粒转移技术，把嗜油假单胞菌的耐汞质粒(MER质粒)转移到恶臭假单胞菌中去，后者获得MER质粒，可在50~70ug／ml氯化汞中生长。Ⅲ．脱色工程菌的构建

将分别含有降解偶氮染料质粒的偏号Kx和Kd两株假单胞菌通过质粒转移技术培育出兼有分解两种偶氮染料功能的脱色工程菌。基因工程方法看似简单，但在具体实施上有较大的难度。A.细菌的质粒本身容易丢失或转移

B.质粒具有不相容性（只有在一定条件下，属于不同的不相容种群的质粒才能稳定地共存于同一宿主中。）*使用哪些方法有利于不同质粒的相容?国内那些科研院校进行基因重组工程菌的开发研究?细菌形态细菌生理细菌遗传与变异1.细菌数量生长曲线包括哪几个阶段？2.细菌的代时G为哪个时期的？如何测算？3.各种废水生物处理法中微生物所处生长状态由什么决定？4.细菌连续培养有哪些培养方式？如何测稀释率(D)?5.为什么恒化培养D提高产生不同生物逐次“洗脱”现象?6.什么是细菌的选育？如何进行特殊细菌筛选？习题8实验通知A.分组———每班以三人为单位分成小组，其中两男